学科分类号
本科学生电子课程设计论文
题 目： 带通有源滤波电路
姓 名 周*
学 号 201530183009
院 （系） 工 学 院
专业、年级 应用电子技术（教育） 15级
指导教师 兰*
2017年 5 月 8 日
第1章 绪 论
1.1 滤波器的产生和发展
滤波器是一种主要用于的选频的电路，真实的世界中会有各种各样有用或者无用的信息，而它可以通过某种特有的方法把信号源的输入信号根据需要变换成系统要求的输出信号，让某些频率段的信号成分输出，让其它频率段的信号成分受到衰减或是阻塞。滤波器在生活中、工业中、军事中应用都十分广泛。当今电子产业很多电子产品都离不开滤波电路，然而滤波电路面临的最大问题之一就是受外界干扰严重。滤波电路刚产生时是无源滤波电路，电路主要有电阻、电容、电感组成，有RC串联RL串联RLC混联等种类的滤波网络。在这些滤波电路中LC梯形滤波以最为实用的特点深受人们喜爱。数十年以来，电感的品质一直没有大的飞跃，依然存在体积大、价格贵、性能不稳定等缺陷，因此，滤波电路发展的步伐受到了很大的限制。直到上个世纪五十年代，人们发现没必要非得吊死在一棵树上，在电感上面再耗费太多的时间，于是乎将眼光转向了用其他元件代替这一块。没过多久，新的滤波电路便诞生了，也就是如今的有源滤波电路。有源滤波电路是由集成运放为核心的具有放大功能的滤波电路。与以往的无源滤波电路相比较，有源滤波电路具有体积小、稳定度高、滤波效果强等特点。因此有源滤波电路一问世便受到了业界的关注与推崇，也正因如此，有源滤波电路也逐渐代替了无源滤波电路的位置，成为滤波电路的不二之选。有源滤波电路的产生标志着滤波电路进入了一个全新的时代，为电子行业的发展起了推动作用。
二、有源滤波技术的历史发展和现状
随着单片集成运算放大器的出现，有源滤波器的发展又进入了一个新的阶段，这对滤波电路的发展来说是意义重大的，因为有了单片集成的运放，人们在设计电路时便不像以前那么难以调试了。虽然无源滤波电路相对于无源滤波有着如此多的优势，但也存在着致命缺点，即频带范围。这是因为集成运放的增益和相移都是频率的函数，从而使得滤波电路的工作频率为20KHZ左右，经过频率补偿以后，工作频率可以达到100KHZ左右，但这仍然无法满足工业需求。需求推动发展，不久之后便出现了更高频的滤波电路，他可以使频率达到GB/4。 电阻与电容相比较是更加难以集成，因此电路的集成与有遇到了一大障碍。不久之后，有源电容滤波器问世了，电路主要由电容和运放组成，这样就给电路的集成带来了很大的方便。 虽然现在的有源滤波电路有着这样那样多的问题，但这依然无法阻挡RC有源滤波器发展。
1.3 选题意义
巩固以及进一步熟悉模拟电路，掌握运放电路、滤波电路以及电路之间的结合与调整，提升自己的动手操作能力，让自己更加深刻的了解模拟电路存在的不稳定性以及难调试性，学会仿真软件、制作PCB板子、调试电路以及选元件参数。
1.4 本设计的工作
（1）选电路
从网上查有关有源滤波电路的的资料，从中选出比较靠谱且电路效果相似的电路图及其参数，但查了几个小时后发现并没用完全符合要求的电路。于是，我去图书馆查阅电子电路模拟部分的书籍，从雪比切夫看到巴特沃夫再到归一化，这一个个陌生的名词和定理使我不得不耐心的从头到尾学习，但结果书上还是没有符合的电路除非自己把这些公式和定理都弄懂然后通过十分复杂的计算才有可能得到理论上的参数。同时我也在去年的模拟电路书上有源滤波电路电路的设计的那一节找电路图，但是里面的低通截止频率是1KHZ，显然不行，还是得自己计算电阻电容的参数。最后，万般无奈下找上一届学姐要了一个电路。
（2）仿真
电路在仿真软件上是完全可行的，滤波效果也特别好，只不过到了实际电路上就不管怎么尝试都行不通。
（3）确定参数
第一次所完成的电路在实际中存在着很多的问题，如：输入电路小到只有几十欧姆；带负载能力差；容易引起自激振荡；放大倍数不够；电容间的相互影响大；分布电容对电路的影响大；电路严重失真等，因此我决定重新确定电路参数。首先高通滤波部分的电阻调大、电容调小、阶数增加，这样可以使得电路的高通滤波电路部分的输入电阻增大滤波效果增强。然后再去确定电阻阻值的大小，通过调节电路中反馈电位器或者是反向输入端的内电阻从而调节整个电路的放大倍数。最后，将低通滤波电路中的电容和电阻的参数确定好，然后将电路各个模块连接起来。
（4）买元件
坐公交或者骑自行车去南门楼口购买元件，前后我们组三个人加起来不下十次。
（5）焊制板子
通过将电路分割成四个主要模块：前级放大电路、后级放大电路、高通滤波、低通滤波，模块与模块之间利用排针以及杜邦线连接。然后，按照电路在万能板上焊制电路。
（6）调试电路
利用增压直流电源、信号源以及示波器和万用表对滤波电路各个模块进行测量和调试。
第2章 硬件部分简介
2.1 具体方案论证与设计
方案１：
巴特沃夫滤波电路，同时利用相关公式进行参数确定。
方案２：
简单RC有源滤波电路，通过不断的实验确定滤波电路高通和低通滤波电路电容电阻的参数以及滤波阶数。
2.2 主控芯片的简介
LM324系列的运放芯片里面是由四个相互独立的运算放大器组成，它的输入端是具有差分放大的作用，这使得电路的输入特性优于一般的运放。该芯片采用双电源供电，比起其他单电源供电的芯片有着一系列的优势，例如电源电压工作范围，该芯片的工作电压为3V到32V，而静态工作电流却仅仅只有MC1741的的百分之二十左右。由于采用的共模输入范围包括还了负电源，因此电路的外部元件都可以不用再接，从而使得设计与调试变得简单。
运放类型:低功率
放大器数目:4
带宽:1.2MHz
针脚数:14
工作温度范围:0°C to +70°C
封装类型:SOIC
3dB带宽增益乘积:1.2MHz
变化斜率:0.5V/μs
器件标号:324
器件标记:LM324AD
增益带宽:1.2MHz
工作温度最低:0°C
工作温度最高:70°C
放大器类型:低功耗
温度范围:商用
电源电压 最大:32V
电源电压 最小:3V
芯片标号:324
表面安装器件:表面安装
输入偏移电压 最大:7mV
运放特点:高增益频率补偿运算
逻辑功能号:324
额定电源电压, +:15V
1.短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：3V-32V
4.低偏置电流：最大100nA
5.每芯片里面有四个单独运放电路。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
主要特性：
短路保护输出
真正的差分输入级
单电源供电：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A）
低输入偏置电流：100 nA最大值（LM324A）
每个封装有4个放大器
内部补偿
共模范围扩展至负电·源
行业标准的引脚分配
输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响器件工作
提供无铅封装
第3章 原理
3.1 RC低通滤波器，即让截止频率以下的信号通过，而将截止频率以上的频率衰减、过滤。RC滤波器具有以下一些优点：电路设计简单，抗性干扰性强，低频段性能好，由于选用的元件只有电阻和电容，因此元件易得可选择性高。也正是由于这些优点，RC滤波电路在工程探测中的应用十分广泛。
1)一阶RC低通滤波器
下图是该电路幅频、相频特性曲线。
电路的传递函数：
电路的幅度和相位的计算公式：
3.2 RC高通滤波模块原理
一阶滤波电路：
频率计算公式：
3.3集成运放的的原理：
下图所示是同相比例运放电路：
下图所示是反相比例运放电路：
实验操作
前期准备
1.上网查资料找电路
百度上的电路
2.学会电路仿真软件
3.学习制作PCB板子
4.去南门口买元件
第一次设计电路
原理图
实物图
板子出现的问题主要有：
1.没波形 2.波形失真 3.输入电阻太小
4.容易自激震荡 5.可调性不足
6.滤波效果不好
第二次设计板子
电路模块
电路草图
实物图
电路的幅频特性曲线
第5章 结论
由于利用多阶滤波电路，所以在本设计中电路元件多，其优点滤波效果好、电路稳定性强等。
本设计中的不足与改进建议：
（1）本设计存在的缺点有平坦度还不够。因此，可以把参数设置更稳定些。
（2）本设计存在的缺点还有衰减速度还不够。因此，还可以多加几阶滤波电路。
（3）带负载能力不够强，可以在输出端加一个电压跟随器。
（4）输入电阻太小使得输入信号有衰减，可以在输入端也加一个电压跟随器。
实验心得与体会
没有一点点防备，也没有一丝预料，课程设计就悄悄地来到。也许是因为我从未经历过又或许是我的性格使然，我竟然一开始没有把他放在心上。刚拿到课题时，觉得它就只是一个简单的滤波器，不就是几个电阻电容吗，只要把阻值和容值确定好就行了，就那么简单。可生活中的很多事情就像父亲所说的一样：看着容易，但你自己动手去做时你就会觉得难了。这次课设便是如此，当我打了几周酱油之后开始真正动手去做时却发现根本没有那么简单。从设计电路，到选参数，到最后的调试每一个环节都是十分头疼。当我的第一块板子焊出来之后，我调试发现什么问题都有，最后输出的是杂波。万分无奈，我在经过很多次纠错之后发现仍是无法完成功能，于是我便找了几个老乡学长向他们请教，可结果是这样的：第一个学长对我说：“你居然抽到了这个？你也太倒霉了吧？这个是所有课设里面最难的了，我们这一届没有一个人做出来，这个太难了，我也不会，帮不了你。”第二个学长是这样对我说的：“你抽的是这个啊？，我对模电这一块不太了解，这个题目特别难，我也不会，你还是问以前做过的学长学姐吧，说不定他们能帮你。”就这样，我怀着万分“悲痛”的心情对自己说：这一次我只能靠自己了，加油吧，高考都挺过来了，还有什么走不过去的呢？
既然别人靠不住，那就自己更努力。于是乎我没有了之前打酱油的心态，开始重视起这次课程设计了。
我把板子拿过去问老师为什么会出现这样的情况，老师看了一眼然后说：“分布电容的问题。”于是我便开始焊制我的第二块板子了。有了第一次的尝试，第二次我学聪明了，我将电路分割成一个个小模块，模块与模块之间就用排针和杜邦线连接起来，这样的话后面调试起来就容易多了，很快就能找到那个部分出现了问题，而且就算最后不能调试好，我也能直接将这一模块重做，这样一来，我不但大大节约了时间，还节约了重做时元件的成本，最重要的是，这样可以完全不用担心分布电容的问题了。所谓的分布电容是指存在导线之间的电容，如果我直接用一块板子去焊制电容滤波部分，把每个元件、每根导线之间的距离拉开，那样的话又何来分布电容呢？
理想是美好的，现实却很残酷。我原以为这一次会成功，当我把电路接上之后还是存在着很多问题，而且，当我把信号源拆掉时，还是有同样的输出，这就是说输出和输入压根就没半毛钱关系。我去问老师才知道这是自激振荡了。于是我便将那个反馈电容拆掉，这下好，连失真波形都没有输出了。经过好多个下午和晚上的调试，我发现再这样做下去是不可能成功的，因为这个电路本身就存在很多的问题，因为这个电路图是学姐的，如果没问题的话那么他们不可能会但最后没有一个人做出来。想到这里，我瞬间觉得自己好笨啊，有种生无可恋的心情，但抱怨归抱怨，生活还得继续，大不了从头再来……
经过我理智的分析发现，我可以用最简单的电阻电容串联滤波电路来滤波，这样的话成功率会更高一点，虽然说效果也许不理想，但我觉得总比到了最后验收时什么都拿不出来强。
我先是在电脑上面把RC串联滤波网络进行仿真，看他的波特图，在多次调整参数之后确定了低通和高通的参数，于是我便开始在以前做模电实验的那个插件板上面做验证实验，结果发现滤波效果根本就没有仿真上面的好。无奈，我只能增加滤波阶数，可当阶数一增加，截止频率也就开始往中间移了，我便只能调整电阻阻值和电容容值。经过无数次的尝试，我终于确定了电阻电容的参数。没有半刻的拖延，我便开始了我的第三次焊制，这一次也许是老天被我的真诚所打动，然后给我开了后门，竟然中间没有出半点问题。就这样，我的课设终于完成了。
这一次课设，我的收获可以说是所有人中最多的，因为我在之后参加的电子比赛中拿了一等奖，而比赛固定作品的题目就是有源滤波电路，那时我还偷着乐了好一阵。当然也许谈这些具体的收获太庸俗，那我就再谈谈此外的收获吧。首先，我打破了上一届没人做出来这个课设的噩梦，这让我狠狠满足了一把虚荣心，同时也证明了自己的专业水平。其次通过这次课设，我对专业有了更深的认识，不但回顾了以前的知识，同时我还学到了很多新的知识。再者我尝试了以前我没尝试过的事情，例如：自己去买元件，自己在图书馆查资料到很晚，自己设计电路等等……最后，我还明白了从理论到实践、从理想到现实比我们想像的要难得多。
回顾以往，我的努力没有白费；展望未来，我将继续前行。相信凭着我一心执着和满心热血，今后无论做什么都会像这次课设一样成功的。
参考文献
[1] 陶骏 HT-7U 高功率电源系统无功功率补偿与谐波抑制的研
究.中科院等离子体物理所博士学位论文
[2] 朱小龙.一种多功能有源滤波器电路仿真设计与分析[J].安徽理
工大学学报，2004
[3] 谢自美.电子线路设计.武汉：华中理工大学出版社，1994
[4] 童诗白，华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社，2001
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